Hoa tảo hồ đánh giá nồng độ chlorophyll

Theo dõi hoa tảo và nồng độ chlorophyll a (Chl-a) trong hồ, đối vớiKý hợp đồng cung cấp Phần mềm tính toán định lượng rủi ro ngoài khơi – Safeti Offshore cho Trung tâm nghiên cứu và phát triển An toàn và Môi trường Dầu khí (CPSE) (Rất quan trọng.Vi khuẩn lam khi sinh sản với số lượng lớn tạo ra độc tố độc hại, từ đó gây ra mối đe dọa đối với nguồn cung cấp nước uống và sinh vật thủy sinh.Vì vậy, đối với việc trở thànhChlorophyll a Chỉ số thay thế sinh khối tảoGiám sát không gian liên tục và chính xác là chìa khóa để quản lý môi trường và mô hình chất lượng nước.Các phương pháp lấy mẫu tại chỗ truyền thống cung cấp dữ liệu đo điểm chính xác, nhưng vùng phủ sóng không gian thưa thớt và tốn nhiều công sức.Ngược lại,Công nghệ viễn thám cho phép đánh giá phạm vi rộng, lặp lại và có thể mở rộng。Trong các loại công nghệ viễn thám,Hình ảnh quang phổ cao cung cấp thông tin quang phổ chi tiết nhất, ngay cả ở vùng nước nội địa với các đặc tính quang học phức tạp, có thể phân biệt đáng tin cậy các sắc tố tảo và ước tính nồng độ chất diệp lục.

Hình ảnh quang phổ cao (HSI) có khả năng thực hiện các thông số chất lượng nướcXuyên không gian và thời gianBiểu tượng quang phổ chi tiết.

bảnVăn bảnTập trung vàoHệ thống hình ảnh High Spectrum，Hệ thống này cho phép giám sát hồ và hồ chứa có độ phân giải cao, linh hoạt và hiệu quả về chi phí.Thông quaNền tảng cố định hoặc di động gần mặt nước(ví dụ: hoạt động trên bến tàu, tháp giám sát hoặc tàu), hình ảnh quang phổ cao trên mặt đấtBổ sung khoảng trống giữa khảo sát tại chỗ và quan sát hàng không/vệ tinh。

Nguyên tắc viễn thám phổ cao

Cảm biến quang phổ cao có sẵn400 – 1000 nmÁnh sáng có thể nhìn thấy trong phạm vi sóng hồng ngoại gần,Hàng trăm dải quang phổ hẹp liên tục (thường là băng thông 2–10 nanomet)củaDữ liệu phản xạ. Độ phân giải quang phổ tinh tế này có thểXác định chính xác các tính năng hấp thụ và tán xạ tinh tế liên quan đến sắc tố, chất lơ lửng và các chất hữu cơ hòa tan。

Phổ phản xạ ngoài nước của các vùng nước hồ là một tín hiệu tổng hợp bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố, bao gồm:

L Chất diệp lục a và các sắc tố phụ trợ (ví dụ phycocyanin, carotenoid)

L Hành động tán xạ ngược của trầm tích lơ lửng và thực vật phù du

L Chất hữu cơ hòa tan màu (CDOM)

L Chlorophyll phát xạ huỳnh quang gần 681 nanomet

Hệ thống mặt đất có thểTỷ lệ tín hiệu nhiễu cao (SNR)Phân tích các đặc điểm quy mô tốt này, làm cho chúng lý tưởng cho các nghiên cứu hiệu chuẩn và xác minh.

Ưu điểm của Ground High Spectrum Imaging

L Hình học quan sát có kiểm soát

Hệ thống mặt đất (được lắp đặt trên cầu tàu, thuyền hoặc giá ba chân) có thể phù hợp vớiGóc quan sát và góc chiếu sángKiểm soát chính xác.tối đaGiới hạnGiảm phản xạ gương và hiệu ứng lân cận。

L Độ phân giải không-thời gian cao

Bắt đượcKích thước cm đến métCác khối tảo hoa cục bộ hoặc độ thang thay đổi.

Thu thập lặp lại (phút đến giờ)Có thể tiến hành phân tích chuỗi thời gian về sự tiến hóa của tảo hoa.

L Căn chỉnh trực tiếp với các phép đo tại chỗ

Nó có thể dễ dàng liên kết với bộ sưu tập mẫu nước (chlorophycocyanin A, Phycocyanin, Total Suspended Solids (TSM), Chất hữu cơ hòa tan màu (CDOM).

Thuật toán hỗ trợ xác minh các ứng dụng vệ tinh hoặc máy bay không người lái.

L Chi phí hiệu quả và dễ dàng truy cập

Tránh các vấn đề về chi phí máy bay, hậu cần bay và thông quan không phận.

Thích hợp cho các trạm giám sát liên tục hoặc bán Yongjiu.

L Tính linh hoạt của cấu hình quang phổ

Máy quang phổ di động hoặc máy ảnh quang phổ caoNó có thể được điều chỉnh theo dải tần nhìn thấy hoặc nhìn thấy - gần hồng ngoại (VNIR) tùy thuộc vào sắc tố mục tiêu.

Cấu hình hệ thống hình ảnh quang phổ cao trên mặt đất

² Thành phần tiêu biểu

L Máy ảnh High Spectrum (Push Sweep)

L Nền tảng lắp đặt ổn định (chân máy, PTZ hoặc gimbal)

L Phụ kiện hiệu chuẩn (tấm Spectralon, đèn tham chiếu để xác định tiêu chuẩn bức xạ)

L Máy tính thu thập dữ liệu với GPS/đánh dấu thời gian

L Cảm biến bức xạ chiếu xạ xuống tùy chọn (để tính toán độ phản xạ)

² Tùy chọn cài đặt

L Trạm cố định: Được lắp đặt trên cầu cảng, tháp giám sát hoặc cầu để đo lặp lại

L Nền tảng di động: được mang trên thuyền hoặc bè nổi để quét các phần của hồ

L Cài đặt quét: quét theo chiều ngang một phần của hồ để tạo ra một khảm quang phổ cao

Đặc điểm phổ chính của xét nghiệm tảo và diệp lục

Ưu điểm của hình ảnh quang phổ cao trong vùng nước nội địa

L Tăng cường khả năng phân biệt sắc tố

Dữ liệu quang phổ cao có thể phân giảiTính năng hấp thụ hẹp(Ví dụ, đỉnh hấp thụ 620 nanomet của phycocyanin)，Từ đó đạt được sự phân biệt giữa tảo lam và tảo lục.

L Nâng độ chính xác định lượng chlorophyll

Dải hẹpChỉ sốCó thể chụp các bù đắp cạnh đỏ tinh tếCó thể thực hiện ước tính chất diệp lục trong nước nghèo dinh dưỡng và giàu dinh dưỡng.

L Thiết kế thuật toán linh hoạt

Người dùng có thể điều chỉnh kết hợp băng tần tùy chỉnh hoặc áp dụng mô hình bán phân tích,Không giới hạn trong dải đa phổ cố định。

L Khả năng di chuyển chéo cảm biến với đào tạo học máy

Bộ dữ liệu quang phổ cao hỗ trợ phát triển các mô hình học máy như Random Forest (RF), ji-end gradient lift (XGB), Convolutional Neural Network (CNN).Có thể được tổng quát hóa giữa các hồ và mùa khác nhau。

L Hướng tới tương lai

Các nhiệm vụ vệ tinh mới (PRISMA, DESIS, EnMAP, CHIME) và cảm biến hàng không đảm bảoTính liên tục của dữ liệu và phạm vi tiếp cận toàn cầu。

Ví dụ về Field Implementation

Triển khai thực tế có thể bao gồm các liên kết sau:

L Một máy ảnh Clyde HSI VNIR-S (dải tần 400-1000 nm, độ phân giải phổ 5 nm)Trang chủGần Pier Overlook The Lake

L Chụp ảnh định kỳ mỗi 30 phút trong giờ ban ngày

L Các mẫu nước được thu thập đồng bộ để xác định chất diệp lục A (Chl-A), phycocyanin (PC) và tổng chất rắn lơ lửng (TSM)

L Hiệu chuẩn với tấm Spectralon có độ phản xạ 99%

L Dữ liệu được xử lý để lập bản đồ phân phối chlorophyll A ở vùng ven bờ với độ phân giải khoảng 10 cm.

Các hệ thống như vậy có thể phát hiện sự xuất hiện sớm của tảo nở hoa, theo dõi sự thay đổi sắc tố hàng ngày và cung cấp dữ liệu mặt đất thực tế để xác minh thuật toán vệ tinh.

Quy trình sử dụng dữ liệu quang phổ cao

L thu thập dữ liệu

Chụp ảnh quang phổ cao (ví dụ: PRISMA, DESIS, vệ tinh EnMAP hoặc hình ảnh trên không)

Đảm bảo thời gian thu thập được đồng bộ với thời gian lấy mẫu hiện trường để hiệu chuẩn

L tiền xử lý

Thực hiện hiệu chỉnh phóng xạ và khí quyển để suy ra độ phản xạ ngoài nước (ρw hoặc Rrs)

Thực hiện hiệu chỉnh ánh sáng và hiệu ứng lân cận (quan trọng đối với các hồ nhỏ)

L Phân tích quang phổ

Sử dụng mặt nạ khu vực quan tâm (ROI) hoặc shapefile để chiết xuất quang phổ của các pixel nước

Tính toán chỉ số quang phổ (ví dụ: tỷ lệ NDCI, MCI, Phycocyanin (PC))

Bước tùy chọn: Thực hiện phân tích đạo hàm hoặc loại bỏ liên tục để tăng cường tính năng phổ

L Ứng dụng thuật toán

Áp dụng mô hình kinh nghiệm được tối ưu hóa hoặc mô hình hồi quy học máy dựa trên đào tạo dữ liệu thực địa địa phương

Tạo bản đồ phân bố nồng độ chlorophyllin và/hoặc phycocyanin

L Kiểm tra và hiệu chuẩn

So sánh nồng độ đảo ngược vệ tinh với dữ liệu Chlorophyll tại chỗ

Đánh giá độ chính xác với Mean Square Root Error (RMSE), độ lệch và hệ số quyết định (R²)

L đầu ra

Bản đồ tham chiếu địa lý để tạo ra nồng độ diệp lục a và phycocyanin (PC)Xác định các khu vực hoa tảo và thay đổi thời gian của chúng để hỗ trợ quản lý phản ứng

Ví dụ: Ứng dụng dữ liệu quang phổ cao trong ước tính chất diệp lục trong hồ

1. Trích xuất phổ phản xạ từ hình ảnh quang phổ cao của khu vực hồ

2. Tính toán chỉ số chlorophyll chuẩn hóa (NDCI) hoặc chỉ số cạnh đỏ ba băng tần cho mỗi pixel

3. Sử dụng hệ số hồi quy dựa trên dữ liệu thực địa để chuyển đổi giá trị hàm mũ thành nồng độ chlorophyll A

4. Hình dung phân bố không gian để xác định các khu vực cường độ tảo nở

Quy trình yi này cho phép giám sát gần thời gian thực các động lực của tảo nở hoa và giúp tích hợp với các mô hình thủy động lực học hoặc mô hình chất lượng nước.

Tùy chọn: Hệ thống hình ảnh quang phổ cao dựa trên máy bay không người lái

Nếu cầnBao phủ một khu vực hồ lớn hơnHệ thống quang phổ cao của máy bay không người lái (UAV) có thể cung cấp một loạiGiải pháp trung gian linh hoạt

Máy ảnh đẩy hoặc chụp nhanh nhẹ hiện đại trên máy bay không người lái (ví dụ: Headwall Nano-Hyperspec,

Cubert UHD có thể:

L lấyĐộ phân giải lớp cmDữ liệu quang phổ

L ởTrong vòng vài phútBao phủ toàn bộ bề mặt hồ

L Hỗ trợ và hệ thống nền tảngCùng một quy trình hiệu chuẩn và xử lý

Tuy nhiên, các hoạt động của máy bay không người lái đòi hỏi phải có được sự cho phép của vùng trời, đảm bảo ổn định ánh sáng và tiến hành xác định tiêu chuẩn bức xạ chính xác để đảm bảo kết quả.Tính định lượng.

Hình ảnh quang phổ cao trên mặt đất cung cấp một phương pháp mạnh mẽ, linh hoạt và hiệu quả về chi phí để giám sát chất lượng nước hồ. Hình ảnh quang phổ cao cung cấp một cách để theo dõi động lực của tảo nở và diệp lục trong hồĐịnh lượng, phổ thông tin phong phú và có thể mở rộngGiải pháp. Dữ liệu dải hẹp của nóKhả năng nắm bắt các tính năng hấp thụ và tán xạ sắc tố quan trọng bị bỏ qua bởi các hệ thống đa phổTừ đó thực hiện kiểm tra chính xác sinh khối tảo và hoạt động tảo xanh.

Những lợi thế chính bao gồm:

L Độ phân giải thời gian cao và độ chính xác của khu vực địa phương

L Mô hình sinh học và mô hình học máy có thể được kiểm chứng trực tiếp

L Thích hợp cho triển khai dài hạn hoặc triển khai tự động

L Có khả năng tích hợp với máy bay không người lái (UAV) và hệ thống vệ tinh

Với các quan sát quang phổ cao dựa trên cơ sở tập trung, các nhà nghiên cứu và quản lý có thể thiết lậpGiám sát sắc tố liên tục, định lượngKhung đoCung cấp hỗ trợ cho hệ thống cảnh báo tảo có hại và cung cấp căn cứ hiệu chuẩn đáng tin cậy cho mạng lưới viễn thám rộng lớn hơn.